Vuon ja magneettivuon suhde

Kokemuksesta tiedetään, että kestomagneettien lähellä, samoin kuin virtaa kuljettavien johtimien lähellä, voidaan havaita fyysisiä vaikutuksia, kuten mekaanisia vaikutuksia muihin magneetteihin tai virtaa kuljettaviin johtimiin, sekä EMF:n esiintymistä tietyssä tilassa liikkuvissa johtimissa. tilaa.

Avaruuden epätavallista tilaa magneettien ja virtaa kuljettavien johtimien lähellä kutsutaan magneettikentällä, jonka kvantitatiiviset ominaisuudet ovat helposti määritettävissä näiden ilmiöiden avulla: mekaanisen vaikutuksen voimalla tai sähkömagneettisella induktiolla, itse asiassa magneettikentässä indusoidun suuruuden perusteella. liikkuva johdin EMF.

EMF:n johtumisilmiö johtimessa (sähkömagneettisen induktion ilmiö) tapahtuu eri olosuhteissa. Voit siirtää johtoa tasaisen magneettikentän läpi tai yksinkertaisesti muuttaa magneettikenttää kiinteän johtimen lähellä. Kummassakin tapauksessa magneettikentän muutos avaruudessa aiheuttaa EMF:n johtimessa.

Yksinkertainen kokeellinen laite tämän ilmiön tutkimiseksi on esitetty kuvassa. Tässä johtava (kupari) rengas on kytketty omilla johtimillaan ballistisella galvanometrillä, nuolen taipumalla, jolle on mahdollista arvioida tämän yksinkertaisen piirin läpi kulkevan sähkövarauksen määrä. Keskitä rengas ensin johonkin kohtaan tilassa lähellä magneetteja (asento a) ja siirrä sitten rengasta jyrkästi (asentoon b). Galvanometri näyttää piirin läpi kulkevan varauksen arvon Q.

Nyt asetamme renkaan toiseen pisteeseen, hieman kauemmaksi magneetista (asentoon c), ja siirrämme sitä jälleen samalla nopeudella jyrkästi sivulle (asentoon d). Galvanometrin neulan taipuma on pienempi kuin ensimmäisellä yrityksellä. Ja jos lisäämme silmukan R resistanssia, esimerkiksi korvaamalla kuparin volframilla, siirtämällä rengasta samalla tavalla, huomaamme, että galvanometri näyttää vielä pienemmän varauksen, mutta tämän varauksen arvo liikkuu galvanometri on joka tapauksessa kääntäen verrannollinen silmukan resistanssiin.

Kokeilu osoittaa selvästi, että magneetin ympärillä olevalla tilassa missä tahansa kohdassa on jokin ominaisuus, mikä vaikuttaa suoraan galvanometrin läpi kulkevan varauksen määrään, kun siirrämme renkaan pois magneetista. Sanotaan sitä joksikin lähellä magneettia, magneettinen virtaus, ja merkitsemme sen kvantitatiivista arvoa kirjaimella F. Huomaa Ф ~ Q * R ja Q ~ Ф / R paljastettu riippuvuus.

Monimutkaistaan ​​kokeilua. Kiinnitämme kuparisilmukan tiettyyn kohtaan magneettia vastapäätä, sen viereen (asemaan d), mutta nyt muutamme silmukan pinta-alaa (päällekkäinen osa siitä langalla). Galvanometrin lukemat ovat verrannollisia renkaan alueen muutokseen (asennossa e).

Siksi silmukkaan vaikuttava magneettivuo F on verrannollinen silmukan pinta-alaan. Mutta magneettinen induktio B, joka liittyy renkaan asemaan suhteessa magneetiin, mutta joka on riippumaton renkaan parametreista, määrittää magneettikentän ominaisuuden missä tahansa tarkastelussa avaruuden pisteessä lähellä magneettia.

Jatkamalla kokeita kuparirenkaalla, muutamme nyt renkaan tason asentoa magneetin suhteen alkuhetkellä (asento g) ja sitten käännämme sitä magneetin akselin suuntaiseen asentoon (asento h).

Huomaa, että mitä suurempi renkaan ja magneetin välinen kulman muutos, sitä enemmän varausta Q virtaa galvanometrin läpi piirin läpi.Tämä tarkoittaa, että renkaan läpi kulkeva magneettivuo on verrannollinen magneetin ja normaalin välisen kulman kosiniin. renkaan tasoon.

Siten voimme päätellä, että magneettinen induktio B — on vektorisuure, jonka suunta tietyssä pisteessä on sama kuin renkaan tason normaalin suunta siinä kohdassa, kun rengasta siirrettäessä jyrkästi pois magneetista varaus Q kulkee pitkin piiri on maksimi.

Voit käyttää kokeessa olevan magneetin sijasta sähkömagneetin kela, siirrä tätä käämiä tai muuta siinä olevaa virtaa, mikä lisää tai vähentää kokeen silmukan läpäisevää magneettikenttää.

Magneettikentän läpäisemää aluetta ei välttämättä rajata ympyrämäinen mutka, se voi periaatteessa olla mikä tahansa pinta, jonka läpi kulkeva magneettivuo määritetään sitten integroinnilla:

Siitä käy ilmi magneettivuo F Onko magneettisen induktiovektorin B vuo pinnan S läpi.Ja magneettinen induktio B on magneettivuon tiheys F tietyssä kentän pisteessä. Magneettivuo Ф mitataan yksiköissä «Weber» — Wb. Magneettinen induktio B mitataan yksiköissä Tesla – Tesla.

Jos koko kestomagneetin tai virtaa kuljettavan käämin ympärillä olevaa tilaa tarkastellaan vastaavalla tavalla galvanometrin kelan avulla, niin tähän tilaan on mahdollista rakentaa ääretön määrä niin sanottuja "magneettisia linjoja" — vektoriviivat magneettinen induktio B — tangenttien suunta, jonka jokaisessa pisteessä vastaa magneettisen induktiovektorin B suuntaa näissä tutkitun avaruuden pisteissä.

Jakamalla magneettikentän tila kuvitteellisilla putkilla, joiden poikkileikkausyksikkö on S = 1, saadaan ns. Yksittäiset magneettiputket, joiden akseleita kutsutaan yksittäisiksi magneettiviivoiksi. Tämän lähestymistavan avulla voit visuaalisesti kuvata kvantitatiivisen kuvan magneettikentästä, ja tässä tapauksessa magneettivuo on yhtä suuri kuin valitun pinnan läpi kulkevien juovien lukumäärä.

Magneettiset viivat ovat jatkuvia, ne lähtevät pohjoisnavalta ja menevät välttämättä etelänavalle, joten kokonaismagneettivuo minkä tahansa suljetun pinnan läpi on nolla. Matemaattisesti se näyttää tältä:

Tarkastellaan magneettikenttää, jota rajoittaa sylinterimäisen kelan pinta. Itse asiassa se on magneettivuo, joka läpäisee tämän kelan kierrosten muodostaman pinnan. Tässä tapauksessa kokonaispinta voidaan jakaa erillisiin pintoihin kullekin kelan kierrokselle. Kuvasta näkyy, että kelan ylä- ja alakierrosten pinnat on lävistetty neljällä yksittäisellä magneettiviivalla ja käämin keskellä olevien kierrosten pinnat on lävistetty kahdeksalla.

Kokonaismagneettivuon arvon selvittämiseksi kelan kaikkien kierrosten läpi on tarpeen laskea yhteen magneettivuot, jotka tunkeutuvat sen jokaisen kierroksen pintoihin, eli kelan yksittäisiin kierroksiin liittyvät magneettivuot:

Ф = Ф1 + Ф2 + Ф3 + Ф4 + Ф5 + Ф6 + Ф7 + Ф8, jos kelassa on 8 kierrosta.

Edellisessä kuvassa näkyvälle symmetriselle käämitysesimerkille:

F yläkierrokset = 4 + 4 + 6 + 8 = 22;

F alemmat kierrokset = 4 + 4 + 6 + 8 = 22.

Ф yhteensä = Ф yläkierrosta + Ф alakierrosta = 44.

Tässä otetaan käyttöön "virtausyhteyden" käsite. Suoratoistoyhteys Kelan kaikkiin kierroksiin liittyvä kokonaismagneettivuo, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin sen yksittäisiin kierroksiin liittyvien magneettivuon summa:

Фm on magneettivuo, jonka virta luo kelan yhden kierroksen kautta; wэ — kelan tehollinen kierrosten lukumäärä;

Vuon kytkentä on virtuaalinen arvo, koska todellisuudessa ei ole yksittäisten magneettivuon summaa, vaan on olemassa kokonaismagneettivuo. Kuitenkin, kun magneettivuon todellinen jakautuminen kelan kierroksille ei ole tiedossa, mutta vuon suhde tiedetään, kela voidaan korvata vastaavalla laskemalla tarvittavan määrän saamiseksi tarvittavien ekvivalenttien identtisten kierrosten lukumäärä. magneettivuosta.